Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie Oksfordzkim ujawniają sprzeczną z intuicją rzeczywistość w kwantowym pomiarze czasu: energia wymagana do pomiaru zegarów kwantowych znacznie przekracza energię wymaganą do ich obsługi. Odkrycia te, opublikowane w Physical Review Letters, podważają długo utrzymywane przekonania na temat wydajności systemów kwantowych i mają znaczące implikacje dla rozwoju przyszłych technologii kwantowych.
Paradoks zegara kwantowego
Tradycyjne zegary, czy to wahadłowe, czy atomowe, do odmierzania czasu opierają się na nieodwracalnych procesach. Jednak w skali kwantowej procesy te stają się słabe lub prawie nie istnieją, co utrudnia dokładny pomiar czasu. Naukowcy od dawna starali się stworzyć wydajniejsze zegary kwantowe, spodziewając się, że największe korzyści przyniosą ulepszenia w podstawowych układach kwantowych. Nowe badania pokazują, że prawdziwym wąskim gardłem nie jest sam zegarek, ale samo patrzenie.
Jak pomiar prowadzi do rozpraszania energii
Zespół z Oksfordu zbudował mikroskopijny zegar, wykorzystując pojedyncze elektrony przeskakujące pomiędzy dwoma obszarami w nanoskali (podwójna kropka kwantowa). Każdy skok oznacza „tyk”. Do wykrywania tych kleszczy wykorzystali dwie metody: pomiar niewielkich prądów elektrycznych i wykorzystanie fal radiowych do wykrywania zmian w systemie. Obie metody przekształcają sygnały kwantowe w klasyczne dane – przejście kwantowo-klasyczne.
Ich obliczenia wykazały, że energia potrzebna do odczytania zegara kwantowego jest miliard razy większa niż energia zużywana przez sam zegar. To obala założenie, że koszt pomiarów w fizyce kwantowej można zignorować. Okazuje się, że to właśnie akt obserwacji nadaje kierunek czasowi, czyniąc go nieodwracalnym.
Implikacje dla przyszłych urządzeń kwantowych
To odkrycie nie oznacza, że wydajniejsze zegary wymagają lepszych układów kwantowych. Zamiast tego badania powinny skupiać się na inteligentniejszych i bardziej energooszczędnych metodach pomiaru. Jak wyjaśnia główna autorka, profesor Natalia Ares (Uniwersytet Oksfordzki): „Oczekiwano, że zegary kwantowe w najmniejszej skali zmniejszą koszty energii związane z pomiarem czasu, ale nasz nowy eksperyment wykazał nieoczekiwany zwrot akcji. W zegarkach kwantowych takty kwantowe znacznie przewyższają takty mechaniczne”.
Jednak brak równowagi może być cechą, a nie wadą. Nadmiar energii z pomiaru może dostarczyć bardziej szczegółowych informacji o zachowaniu zegara, potencjalnie pozwalając na bardzo dokładny pomiar czasu. Współautor Vivek Wadia (Uniwersytet Oksfordzki) podkreśla, że „entropia wytwarzana przez wzmacnianie i pomiar taktów zegara… jest najważniejszym i podstawowym termodynamicznym kosztem pomiaru czasu w skali kwantowej”.
Poza wymiarem czasu: podstawowe zrozumienie
Badania te dotykają głębszych zagadnień fizyki, w tym kierunku czasu. Pokazując, że pomiar, a nie tylko tykanie, określa kierunek czasu, wyniki te łączą fizykę energii z nauką o informacji. Współautor Florian Mayer (TU Wien) sugeruje, że kolejnym krokiem jest zrozumienie zasad wydajności nanourządzeń, abyśmy mogli zaprojektować autonomiczne urządzenia, które wydajniej obliczają i mierzą czas, tak jak robi to natura.
Badanie podkreśla kluczowy spostrzeżenie: w świecie kwantowym akt poznania zasadniczo zmienia obserwowany system. To spostrzeżenie ma daleko idące implikacje wykraczające poza pomiar czasu i rozciąga się na wszelkie technologie kwantowe opierające się na precyzyjnych pomiarach.
